新能源汽車和汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域,碳化硅、氮化鎵算是近年的“明星”,新基建政策更讓充電樁成了今年的熱搜“網(wǎng)紅”。大功率、高頻開關(guān)電源在新能源汽車“快充”應(yīng)用中備受關(guān)注,然而,據(jù)了解,充電模塊中的同樣重要的磁性元件特別是變壓器的創(chuàng)新反而滯后。
電源工程師都知道,電源設(shè)計(jì)總是需要在體積、效率/散熱和EMI等相互制約因素之間取得板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的平衡。變壓器在充電器內(nèi)部占據(jù)了相當(dāng)大的空間,其體積又取決于開關(guān)管的開關(guān)頻率。引入開關(guān)頻率更高的SiC、GaN功率管,充電樁的變壓器才能更小、更容易設(shè)計(jì),并輸出更大功率。
然而,“大功率應(yīng)用中,由于高頻損耗和散熱問題,傳統(tǒng)變壓器的構(gòu)造難以提高工作頻率,存在功率/頻率之間的壁壘。”
為了讓充電樁提速,現(xiàn)有快充樁只能使用多個(gè)變壓器并聯(lián)。這不僅需要增加相應(yīng)配套元器件,而且,由于頻率和功率越高,損耗就越大,應(yīng)對(duì)散熱管理和多變壓器組裝,充電樁必然做得更大。
占了好賽道,贏了起跑,你的充電樁還是有可能輸在“最后一圈”。
本文就為您簡(jiǎn)單介紹新能源充電樁行業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀,并通過充電樁和車載充電的一些電源模塊設(shè)計(jì)案例,介紹村田創(chuàng)新的變壓器技術(shù)如何幫您領(lǐng)跑新能源汽車市場(chǎng)。
新基建布局下直流快充“首當(dāng)其沖”
新能源汽車充電樁曾被戲稱為“過氣明星”。2009年開始新建充電樁以來,國(guó)內(nèi)充電基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)累計(jì)過百萬。然而,EV/HEV市場(chǎng)和技術(shù)卻慢半拍;加上布局欠合理,投入成本高、回收期長(zhǎng),盈利模式單一,互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)期望高卻始終難于“閉環(huán)”,種種因素的制約之下,有報(bào)道稱充電樁的實(shí)際使用率只有15%。
充電樁產(chǎn)業(yè)再次“爆紅”,是因?yàn)?020年國(guó)家布局新基建,明確包括“推廣新能源汽車,建設(shè)充電樁”。與十年前相比,再次站在風(fēng)口浪尖上的充電樁被新基建賦予了“新”的含義。首先,國(guó)內(nèi)十年互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式高歌猛進(jìn),無疑為新基建投資充電樁趟出一些似可借鑒的商業(yè)模式。據(jù)了解,現(xiàn)有百萬充電設(shè)施硬件上已基本打通,未來的一個(gè)發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,也就是說,新基建下的充電樁產(chǎn)業(yè)不僅擴(kuò)大規(guī)模,還要被賦予智能概念和O2O市場(chǎng)潛力;另外,國(guó)內(nèi)外追捧以充電為主題(甚至“免費(fèi)”充電為噱頭)的商業(yè)中心模式很火,在“土地”、“車位”稀缺的城市賦予充電樁新的“玩法”。
其次,近幾年新能源汽車的市場(chǎng)和技術(shù)有了較大的突破。2018年前國(guó)內(nèi)新能源車?yán)m(xù)航里程不超過200公里的居多,而目前市場(chǎng)上新能源乘用車的電池容量則至少400公里起步;電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車的電池制造能力也在快速擴(kuò)展,導(dǎo)致電池成本顯著降低;回饋到政策層面,更傾向綠色新能源的法規(guī)出臺(tái)促使市場(chǎng)加速向汽車電氣化過渡。
水到渠成,現(xiàn)在新能源汽車市場(chǎng)對(duì)快充、甚至“超沖”技術(shù)有了切實(shí)需求,畢竟,充電樁設(shè)施的本質(zhì)是“加油站”,實(shí)用、快速的充電解決方案成為電動(dòng)汽車大規(guī)模部署的關(guān)鍵。
交流充電 .vs. 直流充電
交流(AC)充電樁:俗稱“慢充”,其實(shí)只是個(gè)交流供電裝置,附加一些供電控制或計(jì)費(fèi)功能,負(fù)載通常幾個(gè)kW。完成充電功能所借助的車載充電機(jī)功率不大,不能快速充電。
直流(DC)充電樁:俗稱“快充”,是固安裝在車外的充電機(jī),連接交流電網(wǎng),輸出直流電直接用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池充電。負(fù)載50kW甚至更高。
交流充電樁和直流快速充電樁,在充電速度上差別很大。按照百公里耗電15kWh來估算,一輛普通純電動(dòng)汽車充滿毛估需要8個(gè)小時(shí)。換種說法,交流充電每小時(shí)的續(xù)航不會(huì)超過50公里;而負(fù)載50kW的直流快充電樁僅需個(gè)把小時(shí)就能滿充。目前市場(chǎng)標(biāo)桿是30分鐘做到80%續(xù)航。
而且,“對(duì)標(biāo)加油站,八分鐘“超沖”來了!”
為了對(duì)標(biāo)加油站體驗(yàn),國(guó)外電動(dòng)汽車行業(yè)提出了super-fast-charging的目標(biāo),8分鐘充滿100kWh(450miles)。對(duì)應(yīng)充電樁的負(fù)載功率(考慮到一樁單槍、雙槍、甚至一拖4等情況)可以高達(dá)240kW。
發(fā)揮高頻功率器件潛力關(guān)鍵在"最后一圈"
直流充電系統(tǒng)(下圖),將電網(wǎng)中低頻交流電濾波整流成直流,再通過開關(guān)電源中的功率管,將整流得到的直流電“開關(guān)成”高頻交流,然后經(jīng)高頻變壓器,變壓到合適的充電電壓,整流濾波成合適的直流充電電流。
直流充電系統(tǒng)示意
直流充電系統(tǒng)中變壓器是占空間最大的器件之一,并且影響到整個(gè)系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)。變壓器的體積取決于開關(guān)管的開關(guān)頻率。
傳統(tǒng)硅基MOS管開關(guān)頻率較低,就必須配置更大的變壓器。化合物半導(dǎo)體材料(如碳化硅或者氮化鎵)的功率器件,在高速開關(guān)條件下仍然保持高效率;由于材料的寬禁帶特性,SiC或GaN功率管還具有擊穿電壓高,功率更大,能耐高壓,耐高溫等優(yōu)點(diǎn);另外,這類材料的低導(dǎo)通電阻特性,產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗更小,發(fā)熱很低。
第三代半導(dǎo)體被認(rèn)為是未來功率器件發(fā)展的大方向,然而,在充電樁應(yīng)用這類大功率直流轉(zhuǎn)化器中,如果還是使用傳統(tǒng)變壓器構(gòu)造,要么帶來高頻損耗和散熱問題,工作頻率很難提高,要么系統(tǒng)設(shè)計(jì)就不得不采取多個(gè)變壓器以及復(fù)雜的散熱管理。
釋放SiC高頻率開關(guān)性能的潛力,需要變壓器技術(shù)的創(chuàng)新。
傳統(tǒng)的大功率變壓器主要有兩種,一種使用Litz線,另外一種是扁銅帶繞線(Tape Wound)。
無論使用哪種傳統(tǒng)變壓器設(shè)計(jì),由于相鄰的載流導(dǎo)體浸沒在彼此的磁場(chǎng)中,通過“鄰近效應(yīng)”產(chǎn)生損耗,很難達(dá)成結(jié)構(gòu)緊湊單模塊的高頻功率磁性器件。這種“鄰近效應(yīng)”以及與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的其它損耗,限制了小型化和大功率變壓器可以工作的頻率。
更詳細(xì)來說,Litz線是多股絕緣銅線絞合,即使能使用在中高頻變壓器中,大電流也容易過載。加上多股銅箔之間有空隙,每根Litz線絕緣層占用空間,股數(shù)太多時(shí)降低了空間利用率,直流損耗很大。
扁銅帶構(gòu)造則不太適合高頻,頻率太高,趨膚效應(yīng)更加明顯。而且,扁銅帶繞線十分不便,成本高,工藝難度大,寄生電容也會(huì)比較大;內(nèi)層的銅箔散熱就不太好了,層數(shù)很多,漏感大,臨界效應(yīng)越強(qiáng),渦流很高。內(nèi)部熱難于散出去,容易形成熱點(diǎn),變壓器結(jié)構(gòu)很難用在高頻。
村田的pdqb繞線技術(shù),使用層疊構(gòu)造,改進(jìn)繞組之間的耦合,消除了鄰近效應(yīng), 通過提高空間利用率減少了直流損耗,渦流損耗;傳統(tǒng)的由內(nèi)而外的結(jié)構(gòu),里面容易形成熱點(diǎn),由下而上層層相疊,每一層的散熱效果相同,熱量更容易散出去,從而實(shí)現(xiàn)了大功率變壓器的高頻率、高效率、小體積應(yīng)用。損耗減小,功率提高,體積減小,提高了功率密度。村田創(chuàng)新的pdqb繞線技術(shù)可以構(gòu)建200kHz以上的高頻變壓器,甚至可在高達(dá)250kHz的頻率下工作。并擁有99.5%效率,從而大大減小電源的體積,簡(jiǎn)化充電設(shè)施的設(shè)計(jì)和散熱要求。
突破“工作頻率難于提高”這一壁壘,解決了EV/HEV、智能電網(wǎng)、工業(yè)逆變器、軌道交通、再生能源等領(lǐng)域迫切需要解決的難題,特別是幫助新能源汽車充電樁應(yīng)用跑好“最后一圈”。
